-
Technisches Gebiet
-
Es werden eine Formeinrichtung zum Formen von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material, ein Verfahren zur Herstellung von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material in einer Formeinrichtung, eine Faserformanlage zum Formen von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material mit mindestens einer Formeinrichtung und ein Erzeugnis aus faserhaltigem Material beschrieben.
-
Faserhaltige Materialien werden häufig eingesetzt, um bspw. Verpackungen für Lebensmittel (bspw. Schalen, Kapseln, Boxen, Deckel, etc.) und Konsumgüter (bspw. elektronische Geräte etc.) sowie Getränkebehälter herzustellen. Es werden auch Alltagsgegenstände, wie bspw. Einwegbesteck und -geschirr, aus faserhaltigem Material hergestellt. Faserhaltige Materialien umfassen natürliche Fasern oder künstliche Fasern. In letzter Zeit wird vermehrt faserhaltiges Material eingesetzt, welches Naturfasern aufweist oder aus solchen besteht, die bspw. aus nachwachsenden Rohstoffen oder Altpapier gewonnen werden können.
-
Faserhaltige Materialien können in einem feuchten Zustand oder einem trockenen Zustand verarbeitet werden. Bspw. können Fasern vereinzelt und die vereinzelten Fasern zu einer vliesartigen Schicht zusammengefügt werden, wobei die vliesartige Schicht anschließend weiterverarbeitet werden kann. Der Wasseranteil kann hier bspw. in einem Bereich von 0 bis 40 Gew.-% liegen.
-
Bei einer trockenen Verarbeitung, wobei das Faservlies oder die vereinzelten Fasern lediglich geringfügig befeuchtet und/oder mit einem Zusatzstoff versehen werden können oder sind, um bspw. die Verbindungseigenschaften der Fasern und/oder mechanische und chemische Eigenschaften eines fertigen Erzeugnisses zu beeinflussen, wird in der Regel von einem sogenannten „Dry-Fiber“-Verarbeitungsprozess gesprochen. Der Feuchtigkeitsanteil kann bei einer trockenen Verarbeitung bspw. 0 bis 35 Gew.-% betragen.
-
Zusätze können zudem Auswirkungen auf die Farbe, die Barriereeigenschaften und mechanische Eigenschaften haben.
-
Hintergrund
-
Bei der Verarbeitung von Fasern in einem trockenen Zustand erfolgt üblicherweise zuerst eine Bereitstellung der Fasern, wozu die Fasern aus einem faserhaltigen Material vereinzelt werden. Das Vereinzeln erfolgt häufig über Mühlen oder andere Zerkleinerungseinrichtungen, wie bspw. Hammermühlen etc. Hierbei erfolgt ein Vereinzeln derart, dass einzelne Fasern oder Faserbündel erzeugt werden. Faserbündel umfassen einzelne Fasern, die zusammenhängen, wobei in der Regel ein solches Faserbündel kaum mehr als 3-5 Fasern enthält und somit im Sinne der hierin beschriebenen technischen Lehre auch unter den Begriff „vereinzelte Fasern“ fällt.
-
Die vereinzelten Fasern werden dann in der Regel über Luft als Trägermedium auf ein Siebband gebracht, wobei über das Siebband die Fasern angesaugt werden und in einem verhältnismäßig lockeren Verbund auf dem Siebband zu einer vliesartigen Schicht angeordnet werden. Die vliesartige Schicht kann auch als „Fluff-Pulp“-Schicht bezeichnet werden. Anschließend wird die vliesartige Schicht mit einer Stützschicht (Tissue) verbunden und/oder mit einer Beschichtung, bspw. durch Besprühen, versehen. Danach kommt die Schicht über eine Fördereinrichtung, wie bspw. ein Transportband in eine Pressstation, wobei unter hohem Druck und hohen Temperaturen ein Verpressen der Schicht nach Maßgabe von Formwerkzeugen zu dreidimensionalen Erzeugnissen erfolgt. Beim Verpressen werden zugleich die Erzeugnisse aus der Schicht herausgelöst. Ein solches Verfahren und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens sind bspw. aus
WO 2017/160218 A1 bekannt.
-
Nachteilig bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist beispielsweise, dass ein verhältnismäßig großer Rest an nicht verarbeitetem faserhaltigen Material in einer Restschicht verbleibt. Diese Restschicht kann zwar wieder zurückgeführt und bspw. in einer Hammermühle zerkleinert werden, jedoch ergeben sich dabei mehrere Nachteile. Zum einen muss eine Rückführung vorgesehen sein, welche die Anlage größer baut und das Verfahren um mindestens eine zusätzliche Verarbeitung erweitert.
-
Weiterhin kann es erforderlich sein, der Restschicht vor einer Zuführung für eine zusätzliche Verarbeitung eine Tissuelage zu entfernen, weil diese Fasern aus einem anderen Material enthält oder sich nicht einfach zerkleinern lässt. So kann es bspw. erforderlich sein, eine andere Art von Zerkleinerungseinrichtung anzuschaffen, die teuer (Anschaffung, Betrieb) und aufwendiger in der Ansteuerung ist. Es kann durch eine Beschichtung der vliesartigen Schicht auch erforderlich sein, eine Vorbehandlung der Restschicht durchzuführen, weil die Beschichtung eine Vereinzelung nicht zulässt, da darin Stoffe enthalten sind, die nicht im Material enthalten sein dürfen, sondern nur als äußere oder innere Schicht bei Erzeugnissen vorgesehen sind.
-
Ein weiterer Nachteil bei den bekannten Herstellungsvarianten besteht darin, dass derartig hergestellte dreidimensionale Erzeugnisse in ihrer Gestalt stark beschränkt sind. Der Grund hierfür besteht darin, dass das vliesartige Material in den Formwerkzeugen „tiefgezogen“ (verstreckt) wird, wie es beim Thermoformen von Kunststoffen bekannt ist. Der Vorteil von Kunststoffen besteht darin, dass sie tiefgezogen werden können, wobei die Materialstärke während des Formprozesses und nach der Herstellung relativ konstant gehalten werden kann. Dies trifft für Kunststoffe auch bei Erzeugnissen mit verhältnismäßig großen Tiefen (z.B. Becher) zu. Eine vliesartige Schicht kann dem hingegen nicht so weit verformt werden, weil es ansonsten vor allem an tiefgezogenen Seitenbereichen zu starken Unterschieden in der Wandstärke und sogar zu einer Beschädigung der Erzeugnisse kommen kann, weil das faserhaltige Material einer vliesartigen Schicht nicht fließfähig ist. Deshalb werden nur Erzeugnisse mit geringen Formtiefen und einfachen Geometrien, da Erzeugnisse mit steilen Flanken, scharfen Radien oder zusätzlichen Geometrieelementen, wie Rippen innerhalb des Erzeugnisses, nicht oder nur sehr schwer - z.B. durch aufwändiges Vorformen - hergestellt werden können, in einem trockenen Faserformprozess („Dry-Fiber“-Verarbeitungsverfahren) hergestellt. Zudem wird bisher eine Materialzugabe bei einer vliesartigen Schicht vorgesehen, um bei einem Verstrecken der vliesartigen Schicht definierte Wand- und Materialstärken zu erreichen und somit ein „Tiefziehen“ überhaupt zu ermöglichen.
-
Damit ist das „Dry-Fiber“-Verarbeitungsverfahren nur auf eine geringe Palette an Erzeugnissen beschränkt, obwohl es wünschenswert wäre, das Verfahren auch bei Produkten anzuwenden, die bisher nur in einem Nassprozess („Wet-Fiber“-Verarbeitungsverfahren) hergestellt werden können. Ein „Wet-Fiber“-Verarbeitungsverfahren weist jedoch einen enormen Wasserverbrauch auf und ist daher gegenüber einem „Dry-Fiber“-Verarbeitungsverfahren hinsichtlich der benötigten Ressourcen im Nachteil.
-
Aufgabe
-
Es besteht daher die Aufgabe darin eine Lösung zur Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen anzugeben, welche die Nachteile des Stands der Technik behebt und im Wesentlichen keinen Abfall bei der Herstellung produziert und keinerlei Einschränkungen hinsichtlich der Formtiefe bei der Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen in einem „Dry-Fiber“-Verarbeitungsverfahren unterliegt.
-
Lösung
-
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine Formeinrichtung zum Formen von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material gelöst, mindestens aufweisend ein Formwerkzeug mit mindestens zwei relativ zueinander beweglichen Werkzeugteilen, welche im geschlossenen Zustand mindestens eine Kavität ausbilden, in welcher eingebrachtes faserhaltiges Material zu einem Erzeugnis unter Druck verpressbar ist, und eine Zuführeinrichtung zur Zufuhr von faserhaltigem Material in die mindestens eine Kavität, wobei faserhaltiges Material über die Zuführeinrichtung als einzelne Fasern und/oder Faserbündel, die mehrere miteinander verbundene Fasern aufweisen, einbringbar ist.
-
Mittels der Formeinrichtung ist es möglich, vereinzelte Fasern und/oder Faserbündel, wobei nachfolgend der Ausdruck Fasern sowohl für vereinzelte Fasern als auch Faserbündel verwendet wird, direkt nach einer Vereinzelung einer Formgebung zur Bereitstellung von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material bereitzustellen. Damit kann der Verarbeitungsschritt zur Bereitstellung einer vliesartigen Schicht entfallen. Dies bietet mehrere Vorteile. Zum einen kann eine Faserformanlage mit mindestens einer solchen Formeinrichtung kleiner bauen. Die benötigten Bestandteile können dabei gegenüber bekannten Anlagen reduziert werden. Zudem wird der Energieverbrauch reduziert. Es wird ferner die Ansteuerung einer Anlage deutlich vereinfacht. Schließlich werden die Fasern direkt in die gewünschte Form gebracht, so dass kein Verstrecken, wie im Stand der Technik üblich, erforderlich ist. Damit können komplexe, aufwendige Geometrien und insbesondere große Formtiefen (bspw. Becher) realisiert werden. Dabei kann auf eine Materialzugabe, wie sie beim Verstrecken aus dem Stand der Technik zum Ausgleich und zur Sicherstellung von Mindestwandstärken bzw. -dicken erforderlich ist, verzichtet werden. Somit wird auch der Materialeinsatz deutlich gegenüber bekannten Vorrichtungen, Verfahren und Erzeugnissen reduziert.
-
Zudem wird kein Abfall erzeugt, weil es gegenüber dem Stand der Technik nicht zu einem Ausstanzen von Bereichen einer vliesartigen Schicht kommt. Damit werden im Wesentlichen alle vereinzelten Fasern zu einem Erzeugnis aus faserhaltigem Material verarbeitet.
-
Erzeugnisse aus faserhaltigem Material sind bspw. dreidimensionale Erzeugnisse, wie Schalen, Becher, Deckel, etc.
-
Die Fasern können hierbei direkt in die mindestens eine Kavität eingebracht werden, wobei die Kavität zumindest eine finale Oberfläche eines herzustellenden Erzeugnisses ausbildet. Nach dem Einbringen der Fasern können die beiden beweglichen Werkzeugteile relativ zueinander verlagert werden, wodurch die Fasern unter Druck zu dem finalen Erzeugnis verpresst werden. Das Einbringen der Fasern kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Bspw. können die Fasern mittels eines Luftstroms in die mindestens eine Kavität eingebracht werden. Dabei lagern sich die Fasern an der oder den Oberflächen der mindestens einen Kavität an oder die Kavität wird im Wesentlichen vollständig mit Fasern gefüllt. Dabei kann die Dichte der Fasern innerhalb der Kavität nach Maßgabe der Zuführgeschwindigkeit der Fasern, bspw. des Luftstroms, und der Menge an zugeführten Fasern pro Zeiteinheit geregelt werden. Auch die Dauer der Zuführung kann in Abhängigkeit der gewünschten Befüllung der Kavität geregelt werden. Da in weiteren Ausführungen die beiden Werkzeugteile oder zumindest Teile davon relativ zueinander verlagert werden, um die Fasern zur Herstellung eines Erzeugnisses zu verpressen, ist der Hub bzw. die Wegstrecke von einem geöffneten zu einem geschlossenen Zustand der beiden Werkzeugteile maßgeblich, wie stark die Fasern verpresst werden. Ferner ist damit der Abstand von zueinander beweglichen Oberflächen der mindestens einen Kavität maßgeblich für die Befüllung der Kavität mit Fasern.
-
Vorteilhafterweise wird in die mindestens eine Kavität keine fließfähige, wässrige oder zähflüssige Lösung bzw. Mischung eingebracht, welche eine Abführung von Flüssigkeit zur Ausbildung von im Wesentlichen trockenen Erzeugnissen erforderlich machen würde, sondern es werden im Wesentlichen trockene Fasern eingebracht, welche durch Druck zu fertigen Erzeugnissen verpresst werden. In weiteren Ausführungen kann zusätzlich eine Erwärmung während oder zum Verpressen stattfinden, um eine Bindung der Fasern untereinander zur Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen zu bewirken bzw. zu verbessern.
-
Zur Zufuhr von Fasern kann das Formwerkzeug mindestens eine Zuführöffnung aufweisen, die in die mindestens eine Kavität mündet. Dabei kann sich die mindestens eine Zuführöffnung vorzugsweise über mindestens einen Kanal in einem der beiden Werkzeugteile in die mindestens eine Kavität erstrecken. In weiteren Ausführungen weist der mindestens eine Kanal eine festlegbare Ausrichtung in Bezug auf eine Richtung, Ebene oder Oberfläche des innerhalb dieser Kavität herzustellenden Erzeugnisses auf, so dass eine optimale Befüllung mit Fasern erfolgen kann. In weiteren Ausführungen ist es möglich eine solche Zuführöffnung bzw. einen Kanal auch zum Ansaugen von Fasern zu verwenden.
-
In weiteren Ausführungen kann das Formwerkzeug mindestens ein bewegliches Formteil aufweisen, welches zum Verpressen und/oder Ausgeben eines Erzeugnisses verlagerbar ist. Ein solches bewegliches Formteil kann als Stempel ausgebildet sein, der bspw. innerhalb eines der beiden Werkzeugteile in Richtung des anderen Werkzeugteils verlagerbar ist und dabei die Fasern in der Kavität verpresst. Hierzu weisen der Stempel oder das bewegliche Formteil eine entsprechende, der entsprechenden Oberfläche des herzustellenden Erzeugnisses ausgebildete Oberfläche auf.
-
In weiteren Ausführungen kann alternativ oder zusätzlich das bewegliche Formteil mindestens eine Zuführöffnung aufweisen, über welche Fasern in die mindestens eine Kavität einbringbar sind. In weiteren Ausführungen ist es möglich eine solche Zuführöffnung bzw. einen Kanal auch zum Ansaugen von Fasern zu verwenden.
-
In weiteren Ausführungen kann mindestens eine Zuführung von faserhaltigem Material in die mindestens eine Kavität über die Zuführeinrichtung regelbar sein, wobei damit die Menge, die Geschwindigkeit und die Richtung an zugeführten Fasern geregelt werden können. Hierzu kann bspw. ein Luftstrom in die mindestens eine Kavität über die Zuführeinrichtung geregelt werden. In diesen Luftstrom können Fasern eingebracht werden, die dann gemeinsam mit dem Luftstrom in die Kavität geleitet werden. Die Menge an eingebrachten Fasern kann hierbei auch über die Zuführeinrichtung geregelt werden. Es ist in weiteren Ausführungen zusätzlich oder alternativ möglich, über die Zuführeinrichtung auch ein Ansaugen von Fasern zu steuern.
-
In weiteren Ausführungen kann mindestens eine Zuführung von faserhaltigem Material, der Fasern bzw. Faserbündel, in die mindestens eine Kavität über die Zuführeinrichtung nach Maßgabe der Stellung des mindestens einen beweglichen Formteils regelbar sein. Dabei kann die mindestens eine Zuführöffnung durch das bewegliche Formteil verschließbar bspw. stufenlos verschließbar sein und Zwischenstellungen einnehmen, um die Menge an zugeführten Fasern zu regeln.
-
In weiteren Ausführungen können die mindestens eine Zuführöffnung und/oder mindestens ein zu der mindestens einen Zuführöffnung verlaufender Kanal so ausgerichtet sein, dass sich ein gerichteter Strom an Fasern und/oder Faserbündeln beim Einbringen von faserhaltigem Material einstellt. In weiteren Ausführungen können die mindestens eine Zuführöffnung und/oder mindestens ein in dem Formteil außerhalb der Kavität verlaufender Kanal so ausgerichtet sein, dass sich ein gerichteter Strom an Fasern und/oder Faserbündeln beim Einbringen von faserhaltigem Material einstellt. Je nach Ausbildung des mindestens einen Kanals und/oder der mindestens einen Zuführöffnung kann die Richtung und Verteilung des eingebrachten Luftstroms und der Fasern nach Maßgabe der Ausbildung der Kavität erfolgen.
-
In weiteren Ausführungen können die mindestens eine Zuführöffnung und/oder der mindestens eine Kanal so ausgebildet sein, dass ein definierbarer Strom an Fasern und/oder Faserbündeln erzeugbar ist. Ein definierbarer Strom wird durch die Richtung, Geschwindigkeit und dessen Strömungsverhalten definiert. So kann bspw. ein turbulenter oder ein geradliniger Strom erzeugt werden. Ein turbulenter Strom an Fasern kann bspw. durch die Bereitstellung eines Dralls erzeugt werden, wozu bspw. Ablenk- und/oder Prallflächen/-elemente in den mindestens einen Kanal und/oder die mindestens eine Zuführöffnung ragen. Bspw. kann damit ein schraubenförmiger Strom an Fasern erzeugt werden. Ein schraubenförmiger Strom kann sich dabei um eine gedachte Hochachse eines herzustellenden Erzeugnisses innerhalb der mindestens einen Kavität einstellen.
-
In noch weiteren Ausführungen können speziell ausgebildete Abrisskanten für einen Faserstrom in einem Kanal und/oder im Bereich einer Eintrittsöffnung in die Kavität oder einen damit verbundenen Raum vorgesehen sein. Es kann ferner auch gekrümmte Eintrittsoberflächen für einen Faserstrom vorgesehen sein, die unter Ausnutzung des Coanda-Effekts eine Ablenkung des in die Kavität eintretenden Faserstroms bewirken. Somit kann bspw. erreicht werden, dass die Fasern sich über einen weiten Bereich bei einer zusätzlichen Umlenkung verteilen.
-
Weiterhin können einströmende Fasern bspw. mittig von oben in eine Kavität eingebracht werden, wobei der Strom an Fasern am Boden der Kavität seitlich abgelenkt wird und dann entlang der Bodenfläche der Kavität bis zu deren oberen Ende verläuft. Alternativ können über mehrere oder eine, bspw. ringförmige Zuführöffnung an einem äußeren, oberen Rand der Kavität Fasern eingebracht werden, wobei der Faserstrom dann entlang der Wand der Kavität bis zur Bodenfläche verläuft.
-
In weiteren Ausführungen können das Formwerkzeug und/oder die Zuführeinrichtung beheizbar sein, so dass beim Verpressen zusätzlich ein Wärmeeintrag bereitgestellt wird, der die Verbindung der Fasern zur Ausbildung eines Erzeugnisses aus faserhaltigem Material unterstützt. Eine Beheizung kann bspw. über Heizelemente erfolgen, die in mindestens einem der Werkzeugteile angeordnet sind. Solche Heizelemente können bspw. Heizdrähte oder sogenannte Heizpatronen sein, die nach Maßgabe der bereitgestellten elektrischen Energie, bspw. durch Regelung der Stromstärke, entsprechend stark erwärmt werden. Hierzu bestehen die Werkzeugteile aus einem entsprechenden thermisch leitfähigen Material, wie bspw. Metall (z.B. Aluminium oder eine Aluminiumlegierung).
-
In weiteren Ausführungen kann die Zuführeinrichtung mindestens eine Fördereinrichtung zur Bereitstellung eines Faserstroms in die mindestens eine Kavität aufweisen. Eine solche Fördereinrichtung kann bspw. ein Gebläse etc. sein.
-
In weiteren Ausführungen kann die Formeinrichtung ferner eine Abführeinrichtung aufweisen, welche über mindestens eine Abführöffnung, die in die mindestens eine Kavität mündet, zur Ausbildung eines Unterdrucks zum Ansaugen von Fasern und/oder Faserbündeln ausgebildet ist. Damit können bspw. Fasern angesaugt werden, so dass sich diese an mindestens einer Oberfläche der Kavität mit entsprechenden Öffnungen anlagern. Dabei kann entweder auf eine Fördereinrichtung, wie bspw. ein Gebläse, verzichtet werden, wenn die Ansaugleistung entsprechend gewählt werden, oder es wird die Abführeinrichtung zusätzlich zur Fördereinrichtung vorgesehen. Es ist auch eine Kombination der Zuführ- und Abführeinrichtung in weiteren Ausführungen vorgesehen, so dass keine separaten Einrichtungen erforderlich sind.
-
In weiteren Ausführungen kann mindestens ein Flächenabschnitt der Kavität eine Oberfläche mit einer Vielzahl an Öffnungen aufweisen, über welche faserhaltiges Material ansaugbar ist. Vorzugsweise weist die Kavität entsprechend der Ausbildung des herzustellenden Erzeugnisses entsprechend ausgebildete Öffnungen (Öffnungsform und -weite) sowie Anzahl an Öffnungen auf. Bspw. können die Öffnungen durch eine sieb- oder netzartige Struktur gebildet werden. Die Öffnungen sind mit einer Absaugeinrichtung verbunden, welche das Ansaugen der Fasern bereitstellt.
-
In weiteren Ausführungen kann die Oberfläche der mindestens einen Kavität eine Vielzahl von Mikroöffnungen aufweisen, die keinen Durchtritt von Fasern erlauben. Somit wird sichergestellt, dass nur Luft oder ein anderes Gas oder Gasgemisch für den Transport der Fasern angesaugt wird und keine Fasern. Damit muss der angesaugte Gas- oder Gasgemischstrom nicht gefiltert werden und kann bspw. direkt wieder zum Transport von Fasern zurückgeführt und verwendet werden. Ggf. kann es erforderlich sein, den angesaugten Gas- oder Gasgemischstrom zu kühlen. In weiteren Ausführungen kann eine festlegbare Temperatur für den Strom erforderlich sein, um ein optimales Einbringen von Fasern zu gewährleisten. Bspw. können die Fasern für einen späteren Pressvorgang vorgewärmt werden. Hierzu kann es wiederum in weiteren Ausführungen vorgesehen sein, die (Ab-)Wärme des abgeführten Gas- oder Gasgemischstroms zum Erwärmen des zugeführten Gas- oder Gasgemischstroms zu verwenden.
-
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material in einer Formeinrichtung mit mindestens einem Formwerkzeug, welches mindestens eine Kavität aufweist, und einer Zuführeinrichtung gelöst, mindestens aufweisend die folgenden Schritte:
- - Zuführen vereinzelter Fasern und/oder Faserbündel über eine Zuführeinrichtung;
- - Einbringen der vereinzelten Fasern und/oder Faserbündel in mindestens eine Kavität eines Formwerkzeugs;
- - Verpressen der eingebrachten Fasern und/oder Faserbündel in der mindestens einen Kavität; und
- - Ausgeben eines aus den eingebrachten und verpressten Fasern und/oder Faserbündeln erzeugten Erzeugnisses.
-
Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material, insbesondere dreidimensionaler Erzeugnisse, wobei sowohl die Herstellung wesentlich vereinfacht ist, als auch kein Material als Abfallprodukt anfällt. Des Weiteren ermöglicht das Verfahren die Herstellung von Erzeugnissen, die komplexe Geometrien und große Formtiefen aufweisen können. Dies wird dadurch erreicht, dass die Fasern und/oder Faserbündel, wobei der Ausdruck Fasern, wie bereits angeführt, auch Faserbündel im Zusammenhang mit der hierin offenbarten technischen Lehre umfasst, nicht erst zu einer Lage bzw. Schicht verarbeitet werden, welche dann weiterverarbeitet wird, sondern direkt in die mindestens eine Kavität einer Formeinrichtung eingebracht werden. Dadurch können ohne eine fertigungsbedingte Zugabe an Material bspw. sehr hohe Becher etc. gefertigt werden. Bezüglich der Vorteile wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
-
Es kann in weiteren Ausführungen insbesondere eine festlegbare Menge an Fasern je Kavität eingebracht werden, die anschließend zu einem Erzeugnis verpresst werden. In weiteren Ausführungen kann nach oder bereits während des Einbringens von Fasern an einem beweglichen Formteil, bspw. einem oberen Werkzeugteil, ein Vakuum durch Ansaugen erzeugt werden, wobei sich an der Oberfläche dieses beweglichen Formteils Fasern anlagern. Anschließend wird das bewegliche Formteil bspw. nach unten verlagert, so dass die Fasern an der Oberfläche des beweglichen Formteils gegen die untere Oberfläche der Kavität gedrückt bzw. verpresst werden.
-
In weiteren Ausführungen kann ein Ansaugen von Fasern während des Verpressens aufrechterhalten werden.
-
In weiteren Ausführungen können vereinzelte Fasern und/oder Faserbündel über mindestens eine Zuführöffnung in die Kavität eingebracht werden, wobei die Öffnung und/oder Ausrichtung der mindestens einen Zuführöffnung verändert und/oder verschlossen sowie geöffnet werden kann, so dass die Zuführung gesteuert werden kann.
-
In weiteren Ausführungen können vereinzelte Fasern und/oder Faserbündel über mindestens eine Abführöffnung angesaugt werden, wobei die Öffnung der mindestens einen Absaugöffnung und/oder die Ausrichtung der mindestens einen Abführöffnung verändert und/oder verschlossen sowie geöffnet werden kann.
-
Ferner wird die vorstehend genannte Aufgabe auch durch eine Faserformanlage zum Formen von Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material mit mindestens einer Formeinrichtung gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungen gelöst, um dreidimensionale Erzeugnisse mit komplexen Geometrien und großen Höhen herzustellen.
-
Schließlich wird die vorstehend genannte Aufgabe auch durch ein Erzeugnis aus faserhaltigem Material gelöst, das gemäß einem der vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
-
Die einzelnen Fasern und/oder Faserbündel können in einem vorgelagerten Schritt aus einem Faserverbund gewonnen werden. Hierzu kann bspw. eine Mühle (z.B. Hammermühle) oder dergleichen zum Einsatz kommen, welche die Fasern aus einem Ausgangsprodukt vereinzelt.
-
Je feiner die Fasern bzw. Faserbündel sind, desto leichter lässt sich eine homogene Verteilung der Fasern in einer Kavität erreichen. Zudem wird dadurch die Zuführung der Fasern vereinfacht und es kommt zu keinem Verstopfen in Kanälen, den Kavitäten etc.
-
Vorzugsweise weist das faserhaltige Material einen Feuchtigkeitsanteil zwischen 5-40 Gew.- % Wasser, insbesondere zwischen 7-25 Gew.-% Wasser auf.
-
Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Darstellung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.
-
Kurzbeschreibung der Figuren
-
In den Zeichnungen zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Formanlage zur Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material;
- 2 eine Schnittansicht eines Formwerkzeugs zur Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material;
- 3 - 7 verschiedene Zustände des Formwerkzeugs aus 2 bei der Herstellung eines dreidimensionalen Erzeugnisses aus einem faserhaltigen Material;
- 8, 9 verschiedene Abläufe bei der Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material;
- 10 schematische Darstellungen eines Faserstroms innerhalb einer Kavität; und
- 11 eine schematische Darstellung eines dreidimensionalen Erzeugnisses aus einem faserhaltigen Material.
-
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
-
Nachfolgend werden mit Bezug auf die Figuren Ausführungsbeispiele der hierin beschriebenen technischen Lehre dargestellt. Für gleiche Komponenten, Teile und Abläufe werden in der Figurenbeschreibung gleiche Bezugszeichen verwendet. Für die hierin offenbarte technische Lehre unwesentliche oder für einen Fachmann sich erschließende Komponenten, Teile und Abläufe werden nicht explizit wiedergegeben. Im Singular angegebene Merkmale sind auch im Plural mitumfasst, sofern nicht explizit etwas anderes ausgeführt ist. Dies betrifft insbesondere Angaben wie „ein“ oder „eine“.
-
Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele einer Formanlage 1000 mit einer Formeinrichtung 200, eines Formwerkzeugs 400, von Abläufen 800 zur Herstellung und zum Verpressen von dreidimensionalen Erzeugnissen, wie bspw. eines Bechers 700, sowie eines als Becher 700 ausgebildeten dreidimensionalen Erzeugnisses aus einem faserhaltigen Material. Die gezeigten Ausführungsbeispiele stellen hierbei keine Einschränkung im Hinblick auf weitere Ausbildungen und Modifikationen der beschriebenen Ausführungen dar. So können alternative Ausführungen zu einzelnen Ausführungsbeispielen auch bei anderen Ausführungsbeispielen alternativ oder kumulativ vorgesehen sein.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Formanlage 1000 zur Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material. Die Formanlage 1000 weist in dem exemplarischen Ausführungsbeispiel mindestens eine Mühle 100 zur Zerkleinerung eines Ausgangsmaterials und zur Vereinzelung von Fasern auf. Die Formanlage 1000 weist einen optionalen Speicher 500 auf, in dem vereinzelte Fasern gelagert und bevorratet werden können. Die Formanlage 1000 weist zudem eine optionale Waage 600 auf, die zur Bestimmung und Bereitstellung einer definierbaren Menge an Fasern dient, so dass für die Herstellung von gleichen, dreidimensionalen Erzeugnissen stets die gleiche Menge an Fasern je Erzeugnis verwendet wird, so dass hierüber auch sichergestellt werden kann, dass gleiche Erzeugnisse untereinander das gleiche Gewicht aufweisen. Dies ist insbesondere für Erzeugnisse als Lebensmittelverpackung vorteilhaft, weil bspw. die Befüllung von Schalen mit Lebensmittel während oder nach der Befüllung durch Bestimmung des Gesamtgewichts zur Überprüfung verwendet werden kann.
-
Die Formanlage 1000 weist mindestens eine Formeinrichtung 200 auf, die eine Zuführeinrichtung 300 und mindestens ein Formwerkzeug 400 umfasst. Die Zuführeinrichtung 300 dient zur Zufuhr von Fasern aus dem Speicher 500 zu dem mindestens einen Formwerkzeug 400. Hierzu kann die Zuführeinrichtung 300 bspw. ein Gebläse oder dergleichen aufweisen, um bspw. einen Luftstrom zu erzeugen, welchem Fasern aus dem Speicher 500 zugeführt werden.
-
In dem Formwerkzeug 400 werden die in mindestens eine Kavität 400 eingebrachten Fasern zu dreidimensionalen Erzeugnissen unter Druck verpresst. Anschließend können die so hergestellten Erzeugnisse einer optionalen Nachbearbeitung (z.B. Bedrucken, Färben, Befüllen, Stapeln, etc.) unterzogen werden.
-
Mit der Formanlage 1000 lassen sich Erzeugnisse herstellen, die biologisch abbaubar sind und selbst wieder als Ausgangsmaterial für die Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen, wie bspw. eines Bechers 700 (siehe 11) aus einem faserhaltigen Material dienen und kompostiert werden können, weil diese in der Regel vollständig zersetzt werden können und keine bedenklichen, umweltgefährdenden Stoffe enthalten. Die Erzeugnisse können bspw. als Becher, Deckel, Schalen, Kapseln, Teller und weitere Form- und/oder Verpackungsteile (bspw. als Halter-/Stützstrukturen für elektronische oder andere Geräte) ausgebildet sein.
-
Die Mühle 100 der Formanlage 1000 dient als Vereinzelungseinrichtung zum Vereinzeln eines faserhaltigen Ursprungsmaterials, um die vereinzelten Fasern bereitzustellen. Eine solche Mühle 100 kann bspw. eine Hammermühle oder eine Wirbelstrommühle sein, die eine Vereinzelung und Zerkleinerung der in dem Ursprungsmaterial enthaltenen Fasern bewerkstelligen. In weiteren Ausführungen können auch andere Arten von Mühlen oder Vereinzelungseinrichtungen verwendet werden.
-
Ausgangsmaterial für eine Vereinzelung in einer Vereinzelungseinrichtung, wie bspw. der Mühle 100, kann bspw. Papier, Karton, Vlies, Pflanzenfasern etc. sein. Das Ausgangs- bzw. Ursprungsmaterial oder die Fasern können einen Feuchtigkeitsanteil von 0-40 Gew.-% Wasser aufweisen. In weiteren Ausführungen weisen das Ausgangs- bzw. Ursprungsmaterial oder die Fasern einen Feuchtigkeitsanteil von 5-30 Gew.-% Wasser auf. In noch weiteren Ausführungen weisen das Ausgangs- bzw. Ursprungsmaterial oder die Fasern einen Feuchtigkeitsanteil von 7-25 Gew.-% Wasser auf. Der Feuchtigkeitsanteil der Fasern kann sich dabei sowohl auf den Zustand vor oder nach der Vereinzelung beziehen.
-
Nach der Vereinzelung in einer Vereinzelungseinrichtung liegen einzelne Fasern vor, die in einem Längenspektrum von wenigen Mikrometern bis bspw. 6 mm liegen. Je nach Länge der Fasern weisen diese verschiedene Eigenschaften auf. So können mit langen Fasern grundsätzlich höhere Festigkeiten bei Erzeugnissen erreicht werden, jedoch weisen lange Fasern eine schlechte Formation auf, d.h. es lässt sich mit langen Fasern (bspw. im Bereich von 4 bis 6 mm) in der Regel nur eine ungleichmäßige Verteilung an der Produktoberfläche erreichen. Demgegenüber weisen kurze Fasern eine geringere Festigkeit bei einer guten Formation auf. Die Dichte eines fertigen Erzeugnisses wird maßgeblich durch Feinstoffe (Faserteile) mit einer Länge von unter 1 mm beeinflusst, deren Anteil bei kurzen Fasern grundsätzlich höher ist. Damit können mit eher kürzeren Fasern bzw. Faseranteilen höhere Verdichtungen erreicht werden, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften und Barriereeigenschaften eines Erzeugnisses beeinflussen lassen. Dabei kann bspw. eine sehr dichte Faserschicht erzeugt werden. Insgesamt lassen sich somit durch die Länge der Fasern auch die Eigenschaften des herzustellenden Erzeugnisses beeinflussen.
-
Bei der Vereinzelung der Fasern kann es weiterhin vorkommen, dass einzelne Fasern aneinanderhaften und dabei einen Faserverbund bzw. ein Faserbündel ausbilden. Ein solches Faserbündel wird hier auch als vereinzelte Faser betrachtet. Maßgeblich ist dabei, dass ein solches Faserbündel bspw. nur wenige Fasern, bspw. 3-5 Fasern aufweist und sich damit ähnlich verhält wie eine einzelne Faser. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die Länge des Faserbündels und dessen Gewicht, damit alle Fasern und Faserbündel bei der Verarbeitung gleich reagieren und sich im Wesentlichen gleich verarbeiten lassen.
-
2 zeigt eine Schnittansicht eines Formwerkzeugs 400 zur Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material. Das Formwerkzeug 400 weist ein erstes Werkzeugteil 410 und ein zweites Werkzeugteil 440 auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel bildet das erste Werkzeugteil 410 ein oberes Werkzeugteil 410 und das zweite Werkzeugteil 440 ein unteres Werkzeugteil 440. Das obere Werkzeugteil 410 ist über Schrauben in einem oberen Bereich mit einer Montageplatte des Formwerkzeugs 400 verbunden. Das obere Werkzeugteil 440 weist einen mittigen Hohlraum auf, in dem ein bewegliches Formteil 430 axial verschiebbar gelagert ist. Das bewegliche Formteil 430 dient als Stempel zum Verpressen von Fasern gegen die Oberfläche 446 der Kavität 444 des unteren Werkzeugteils 440.
-
Das Formteil 430 weist eine mittigen Kanal 432 auf. Der Kanal 432 mündet über eine Zuführöffnung 436 in einen Raum 422 oberhalb der Kavität 444. Über die Zuführöffnung 436 und den Kanal 432 kann bspw. ein zusätzliches Einbringen von Fasern erfolgen. In weiteren alternativen Ausführungen kann hierüber auch ein Absaugen von Gas oder Gasgemisch erfolgen, nachdem die Fasern eingebracht wurden und die Zufuhr über die Zuführöffnung 420 verschlossen ist.
-
Das untere Formteil des beweglichen Formteils 430 kann verschiedenartig ausgebildet und ausgeführt sein. So kann dieses aus einem harten Material (z.B. Kunststoff, Metall bzw. Metalllegierung, etc.) bestehen. In weiteren Ausführungen kann das untere Formteil auch aus einem verhältnismäßig weichen Material (wie z.B. Silikon etc.) bestehen und/oder mindestens abschnittsweise aufblasbar sein.
-
Das bewegliche Formteil 430 ist von einer Hülse 414 umgeben, welche ebenfalls axial verschiebbar ist. Die Hülse 414 dient zum Verpressen von Fasern zur Ausbildung eines Rands 730 für ein Erzeugnis, wie bspw. einen Becher 700 (siehe 11). An dem oberen Ende weist die Hülse 414 einen Ring auf, der in 2 auf einer unteren nicht bezeichneten Schulter eines Werkzeugkörpers 412 des oberen Werkzeugteils 410 aufliegt. Der Ring der Hülse 414 ist innerhalb der Kammer 416 gemeinsam mit der Hülse 414 verschiebbar gelagert. In einer oberen Endstellung der Hülse 414 liegt der Ring an der umlaufenden Schulter 413 an und kann damit nicht weiter verlagert werden.
-
Hülse 414 und Formteil 430 können unabhängig voneinander verlagert werden. Hierzu ist das Formteil 430 mit einer Druckwelle verbunden, die bspw. elektrisch, pneumatisch, hydraulisch oder anderweitig gesteuert axial bewegt werden kann. Die Hülse 414 kann beispielsweise durch Einbringen eines Gas oder Gasgemischs in die Kammer 416 nach unten axial verlagert werden. Um die Hülse 414 wieder zurück in die obere Ausgangsstellung zu bringen, kann das Gas oder Gasgemisch aus der Kammer 416 abgeführt werden. In den in 2 angedeuteten Einschnitten im umlaufenden Rand der Hülse 414 können Dichtungen, insbesondere Dichtungsringe aufgenommen sein, um eine pneumatisch gesteuerte Verlagerung der Hülse 414 zu unterstützen.
-
Im unteren Bereich des Werkzeugkörpers 412 weist das obere Werkzeugteil 410 einen Kanal 418 auf, der über eine Zuführöffnung 420 in einen Raum 422 des Werkzeugkörpers 412 mündet. Dieser Raum befindet sich direkt oberhalb der Kavität 414 im Werkzeugkörper 442 des unteren Werkzeugteils 440. Über den Kanal 418 und die Zuführöffnung 420 werden zur Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen aus einem Fasermaterial vereinzelte Fasern eingebracht. Hierzu ist der Kanal 418 mit einem Schlauch oder dergleichen verbunden, der an seinem anderen Ende mit der Zuführeinrichtung 300 verbunden ist. Damit können über die Zuführeinrichtung 300 direkt Fasern in den Raum 422 eingebracht werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt dies durch Einbringen eines Faserstroms, wobei vereinzelte Fasern über ein Gasgemisch als Trägermedium in den Raum 422 und die Kavität 444 eingebracht werden. 2 zeigt einen Zustand, wobei das obere Werkzeugteil 410 und das untere Werkzeugteil 420 so miteinander verbunden sind, dass kein Gasstrom und keine Fasern aus dem Raum, in welchen die Fasern eingebracht werden, entweichen können. Hierzu können bspw. Dichtmittel vorgesehen sein, die im verbundenen Zustand der beiden Werkzeugteile 410, 440 eine dichte Verbindung bereitstellen.
-
In weiteren Ausführungen können mehrere Formwerkzeuge 400 vorgesehen sein, denen von einer gemeinsamen Zuführeinrichtung 300 Fasern zugeführt werden. Hierbei können Verbindungen (z.B. Schläuche) von der Zuführeinrichtung 300 zu den Formwerkzeugen 400 zusammengefasst sein (bspw. über eine Weiche oder Ventile). Es können alternativ einzelne Verbindungen zwischen der Zuführeinrichtung 300 und den Formwerkzeugen 400 über separate Leitungen bestehen.
-
Die Ausbildung des Kanals 418 und der Zuführöffnung 420 können in weiteren Ausführungen unterschiedlich zum gezeigten Ausführungsbeispiel sein und bspw. Drallelemente, Prallkörper oder abstehende Elemente aufweisen, die eine Ablenkfläche bereitstellen, um einen Strom an Fasern gezielt abzulenken und eine Verteilung der Fasern in der Kavität 444 zu erreichen. In noch weiteren Ausführungen können diese Mittel veränderbar sein, um den Strom an Fasern während des Einbringens zu verändern.
-
Das obere Werkzeugteil 410 und das untere Werkzeugteil 440 können im Bereich der gestrichelten Linie voneinander entfernt werden, um beispielsweise ein gefertigtes Erzeugnis aus der Kavität 440 zu entnehmen. Das untere Werkzeugteil 440 kann von dem oberen Werkzeugteil 410 nach unten bewegt werden, um das gefertigte Erzeugnis in der Kavität 444 freizugeben. Hierzu weist das untere Werkzeugteil 440 einen Auswerfer 448 auf, der pneumatisch, hydraulisch, elektrisch oder anderweitig gesteuert axial nach oben in Richtung der Kavität 444 verlagert werden kann, um ein gefertigtes Erzeugnis aus der Kavität 444 auszuwerfen. Das untere Werkzeugteil 444 kann nach einer Verlagerung nach unten rotiert werden, so dass die Kavität 444 gegenüber der Stellung aus 2 bspw. nach rechts verschwenkt ist.
-
Die Kavität 444 erstreckt sich in den Werkzeugkörper 442 und bildet die Form des herzustellenden Erzeugnisses ab. Das obere und das untere Werkzeugteil 410, 440 können aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit guten Wärmeleit- und Speichereigenschaften bestehen und über weitere, nicht dargestellte Einrichtungen beheizt werden, um eine definierte Temperatur beim Verpressen der Fasern zu einem Erzeugnis bereitzustellen. Bspw. kann eine Beheizung über Heizpatronen erfolgen.
-
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Hülse 414 im unteren Bereich eine Vielzahl von Öffnungen 415 auf, die verschiedene Funktionen aufweisen können. So kann über die Öffnungen 415 in einer in 3 gezeigte Stellung ein Entlüften der Kavität 444 und/oder des Raums 422 während des Einbringens von Fasern erfolgen. Die zugeführte Luft oder ein anderes Gas bzw. Gasgemisch als Trägermedium für die Fasern entweicht (ggf. mit Unterstützung einer Einrichtung zum Absaugen des zugeführten Gases oder Gasgemischs) über die Öffnungen 415 und gelangt in einen umlaufenden Freiraum innerhalb des Werkzeugkörpers 412, der mit einem Kanal 426 in Verbindung steht. Über den Kanal 426 können das Gas oder Gasgemisch abgeführt werden. Hierzu sind die Öffnungen 415 so ausgebildet, dass keine Fasern über die Öffnungen 415 aus dem Raum 422 und der Kavität 444 abgeführt werden können. Die Öffnungen 415 können hierzu als Mikroöffnungen ausgebildet sein. Hierbei können die Durchmesser bzw. Öffnungsweiten solcher Mikroöffnungen im Wesentlichen kleiner sein als die Größe der Fasern. Bspw. können die Durchmesser bzw. Öffnungsweiten solcher Mikroöffnungen im Wesentlichen kleiner sein als die Größe der kleinsten Bestandteile eines Faserstroms.
-
Weiterhin kann bei der Herstellung von Erzeugnissen nach dem Einbringen von Fasern in die Kavität 444 zunächst die Hülse 414 in die untere Endposition verbracht werden, bevor das bewegliche Formteil 430 die obere Ausgangsstellung verlässt (vgl. 2). In diesem Zustand können über die Öffnungen 415 verschiedene Medien über einen weiteren Kanal 424 im Werkzeugkörper 412 eingebracht werden. Bspw. können Additive oder Dampf eingebracht werden, welche sowohl die Verbindung der Fasern untereinander beeinflussen als auch eine Außenseite der Faserschicht beschichten können. Damit lassen sich die Eigenschaften des herzustellenden Erzeugnisses maßgeblich beeinflussen, bspw. um härtere Erzeugnisse und/oder Erzeugnisse mit verbesserten Barriereeigenschaften herzustellen. Darüber hinaus kann durch Einbringen eines Gases oder Gasgemischstroms (z.B. Luft) über den Kanal 424 und die Öffnungen 415 eine Verteilung der Fasern in der Kavität 444 unterstützt werden. Dazu kann in weiteren Ausführungen das Einbringen eines zusätzlichen Gas- oder Gasgemischstroms während der Bewegung des beweglichen Formteils 430 nach unten erfolgen.
-
Die Öffnungen 415 erstrecken sich in der gezeigten Ausführungsform um die Hülse 414, so dass sowohl ein Absaugen bzw. Abführen eines Gas- oder Gasgemischstroms als auch ein Einbringen eines zusätzlichen Gas- oder Gasgemischstroms und ein Einbringen von Additiven etc. umfangsseitig gleichmäßig verteilt erfolgen kann.
-
Die Kanäle 424 und 426 weisen für die vorstehenden Ausführungen entsprechend ausgebildete Anschlüsse auf und sind mit Einrichtungen zur Zu- und/oder Abfuhr der entsprechenden Gase/Gasgemische und weiteren Medien (Additive, Dampf, etc.) verbunden.
-
Die 3 - 7 zeigen verschiedene Zustände des Formwerkzeugs 400 aus 2 bei der Herstellung eines dreidimensionalen Erzeugnisses aus einem faserhaltigen Material.
-
3 zeigt den Zustand der beiden Werkzeugteile 410, 440 beim Einbringen von Fasern. Hierbei liegen die beiden Werkzeugteile 410, 440 aneinander an und sowohl das Formteil 430 als auch die Hülse 414 befinden sich in einer oberen Ausgangsstellung. Der Raum 422 ist damit vollständig frei. Es werden dann zuvor vereinzelte Fasern in den Raum 422 über einen Faserstrom eingebracht, wie durch den Pfeil angedeutet. Das Einbringen erfolgt bspw. mit Hilfe eines Luftstroms, dem vorab über die Zuführeinrichtung Fasern zugefügt werden. Die Menge an Fasern wird zuvor über eine Mengenbestimmungseinheit, wie bspw. eine Waage 600, ermittelt.
-
Die Fasern strömen in den Raum 422 und die Kavität 444 und lagern sich an der Oberfläche 446 der Kavität 444 an. Um die Anlagerung der Fasern zu unterstützen, kann die Oberfläche 446 eine Vielzahl an Öffnungen aufweisen, über welche der Strom an Fasern und somit die Fasern angesaugt werden. Bei den Öffnungen an der Oberfläche 446 kann es sich bspw. um Mikroöffnungen handeln, deren Öffnungsweite deutlich kleiner ist als die Bestandteile des Faserstroms, so dass kein „Absaugen“ von Fasermaterial über die Mikroöffnungen selbst erfolgt. Lediglich das Trägermedium, beispielsweise ein Gasgemisch wie Luft, wird dann über die Öffnungen angesaugt. Das Ansaugen stellt damit sicher, dass ein Anlagern der Fasern nur im Bereich der Oberfläche 446 erfolgt und die Kavität 444 mit einer Faserschicht versehen wird, welche für die Ausbildung des herzustellenden Erzeugnisses vorgesehen ist.
-
In weiteren Ausführungen kann zusätzlich zu einem Ansaugen des Faserstroms oder alternativ dazu die Anlagerung der Fasern an der Oberfläche 446 durch eine gezielte Einbringung des Faserstroms unterstützt oder erreicht werden. Hierzu kann bspw. von oben herab, z.B. durch den Kanal 432 und die Zufuhröffnung 436, ein Luftstrom eingebracht werden, der auf die mittige Bodenfläche der Kavität 444 unter der Zuführöffnung 436 trifft und entlang der Seitenwände der Kavität 444 nach oben strömt (siehe 10, mittlere Darstellung). In noch weiteren Ausführungen können Kanäle 432 und 418 sowie die entsprechenden Zuführöffnungen 436 und 420 sowie weitere Kanäle und Öffnungen Ablenkelemente aufweisen und derart gestaltet sein, dass beispielsweise ein schraubenförmiger Luftstrom innerhalb der Kavität 444 erreicht wird, wobei bspw. der Faserstrom entlang der Seitenwände schraubenförmig von unten nach oben und/oder von oben nach unten (siehe 10, rechte Darstellung) strömt.
-
Für das Einbringen der Fasern ist es wesentlich, dass im Hinblick auf herzustellende Erzeugnisse und die gewünschten Schichtdicken für das jeweilige Erzeugnis eine entsprechend starke Faserschicht in den jeweiligen Bereichen der Kavität 444 und an deren Oberflächen 446 erreicht wird.
-
In weiteren Ausführungen kann das Einbringen von Fasern mittels eines Faserstroms auch derart erfolgen, dass eine definierte Menge an Fasern eingebracht wird und die Fasern beim Verlagern eines Formteils, wie bspw. dem Formteil 430, verlagert werden, so dass eine gleichmäßige Verteilung der Fasern an den Oberflächen 446 erreicht wird. Nach dem Verteilen der Fasern wird erst im letzten Pressschritt durch Verlagern des beweglichen Formteils 430 ein Verpressen der Fasern untereinander erreicht, so dass eine Verbindung der Fasern erfolgt. Zuvor können die Fasern durch das Formteil 430 verlagert werden. Insbesondere kann bei definierten Faserlängen ein „Fließen“ der Fasern erreicht werden, so dass diese sich ähnlich viskosen Stoffen verhalten.
-
In noch weiteren Ausführungen weist das bewegliche Formteil 430 mindestens eine Ansaugöffnung auf, über welche Fasern angesaugt werden, ohne über die Ansaugöffnung aus der Kavität 444 bzw. dem Raum 422 herausgeführt zu werden. Bspw. kann ein Vakuum durch Ansaugen über die mindestens eine Ansaugöffnung am beweglichen Formteil 430 bei der axialen Verlagerung des beweglichen Formteils 430 nach unten in die Kavität 444 hinein erzeugt werden, so dass während der Verlagerung des Formteils 430 und beim Verpressen der Fasern das Vakuum aufrechterhalten wird. In noch weiteren Ausführungsformen kann ein Vakuum über die mindestens eine Öffnung am beweglichen Formteil 430 bereits beim Einbringen der Fasern in den Raum 422 und die Kavität 444 bereitgestellt werden, so dass sich die Fasern vorzugsweise um das untere Pressstück des beweglichen Formteils 430 an der Oberfläche 434 anlagern. In noch weiteren Ausführungsformen kann ein Vakuum anstelle nur am beweglichen Formteil 430 auch an der Oberfläche 446 der Kavität 444 erzeugt werden. In noch weiteren Ausführungsformen weist die Oberfläche 434 des beweglichen Formteils 430 eine Vielzahl von Mikroöffnungen auf, so dass an der gesamten Oberfläche 434 Fasern angesaugt werden können, wobei die Größen der Öffnungen an der Oberfläche 434 nach Maßgabe der Größe der Fasern so zu bestimmen sind, dass es zu keinem Abführen von Fasern über das Formteil 430 aus dem Raum 422 und der Kavität 444 heraus kommt. Das Abführen der Fasern und die Erzeugung des Unterdrucks können bspw. über den Kanal 432 erfolgen.
-
In 4 ist eine lockere Faserschicht 900 an der Oberfläche 446 der Kavität 444 gezeigt. Die Faserschicht 900 erstreckt sich dabei auch an einem umlaufenden oberen Randbereich, welcher der Hülse 414 gegenüberliegt. In weiteren Ausführungen kann sich eine solche Faserschicht 900 erst nach einer Verlagerung des beweglichen Formteils 430 einstellen, wobei die Fasern durch das Formteil 430 verdrängt und ggf. teilweise zusammengedrückt wurden. Die Bewegung des Formteils 430 ist in 4 durch den Pfeil angedeutet.
-
5 zeigt den Zustand des beweglichen Formteils 430 nach Erreichen der unteren Endstellung, wobei die Fasern der Faserschicht 900 im Bereich des Bodens 710 (11) und der Seitenwände 720 eines herzustellenden Bechers 700 verpresst wurden und damit eine verpresste Faserschicht 910 ausbilden. Diese Faserschicht 910 weist die finale Festigkeit und Eigenschaft des herzustellenden Bechers 700 auf. Der Rand 730 des Bechers 700 liegt demgegenüber noch als lockere Faserschicht 900 vor.
-
6 zeigt den Zustand der Hülse 414 nach Erreichen der unteren Endstellung, wobei auch die Fasern der Faserschicht 900 im Bereich des Rands 730 des Bechers 700 verpresst wurden und damit eine verpresste Faserschicht 910 ausbilden. Diese Faserschicht 910 weist nach dem Verpressen durch den unteren Rand der Hülse 414 die finale Festigkeit und Eigenschaft des herzustellenden Bechers 700 auf. Nach dem Verpressen der Fasern zu einem Becher 700 werden die Hülse 414 und das bewegliche Formteil 430 wieder in die obere Ausgangsstellung verbracht und die beiden Werkzeugteile 410, 440 relativ voneinander entfernt. Der Becher 700 verbleibt dabei in der Kavität 444. Nach dem Öffnen des Formwerkzeugs 400 wird der Becher 700 durch eine axiale Verlagerung des Auswerfers 448 aus der Kavität 444 gedrückt und bspw. von einem Greifer oder einer anderen Einrichtung abgenommen und einer weiteren Verarbeitung etc. zugeführt. In weiteren Ausführungen kann das untere Werkzeugteil 440 in Zeichnungsrichtung nach rechts oder links gekippt und danach der Auswerfer 448 betätigt werden, so dass die gefertigten Becher 700 aus der Kavität 444 seitlich herausfallen oder von einer anderen Einrichtung übernommen werden. 7 zeigt den Zustand des Formwerkzeugs 400 nach der Herstellung eines Bechers 700 und dem Auswerfen des Bechers 700 in einer wieder geschlossenen Stellung (vgl. 3).
-
Die 8, 9 zeigen verschiedene Abläufe 800 bei der Herstellung von dreidimensionalen Erzeugnissen aus einem faserhaltigen Material, wie bspw. einem Becher 700.
-
Bei dem Ablauf 800 aus 8 erfolgt Zunächst die Bereitstellung 810 eines Ausgangsmaterials, beispielsweise von Papier oder einem anderen Ausgangsmaterial, wie eingangs beschrieben. In einem weiteren Schritt 820 erfolgt dann die Zerkleinerung bzw. die Vereinzelung der Fasern aus dem Ausgangsmaterial. Hierzu kann beispielsweise eine Mühle 100 verwendet werden.
-
In einem nachgelagerten Schritt 830 erfolgt die Bereitstellung von Fasern. Der Bereitstellung 830 kann bspw. eine Speicherung 840 der Fasern in einem Vorratsbehälter, z.B. Speicher 500, der Formanlage 1000 folgen. Alternativ können vereinzelte Fasern direkt einer Waage 600 oder einer anderen Einrichtung, wie bspw. der Zuführeinrichtung 300, zugeführt werden. Von dem Speicher 500 aus können dann in einem weiteren Schritt 850 vereinzelte Fasern gewogen werden, um eine definierte Menge an Fasern für die herzustellenden Erzeugnisse bereitzustellen, wobei für jedes herzustellende Erzeugnis eine definierte Menge ermittelt und bereitgestellt wird. Die Ermittlung der Menge an benötigten Fasern kann jedes Mal durch ein Wiegen erfolgen oder mengenmäßig durch Öffnung und Schließen von Ventilen oder Klappen etc. für eine festlegbare Zeitdauer vorgenommen werden.
-
Über die Zuführeinrichtung 300 wird die bereitgestellte Menge an Fasern einem Formwerkzeug 400 zugeführt und in die Kavität 444 in der vorstehend beschriebenen Weise eingebracht. Danach erfolgt ein Verpressen der eingebrachten Fasern unter Druck in einem Bereich von 5 bis 50 bar. In weiteren Ausführungen kann beim Verpressen ein Erwärmen der Fasern durch Beheizen der Werkzeugteile 410 und/oder 440 in einem Temperaturbereich von 100 bis 200 °C erfolgen. Hierbei werden die Fasern zu fertigen Erzeugnissen, wie beispielsweise Bechern 700 (siehe 11), verpresst. In einem nachgelagerten Schritt 870 kann eine Nachbearbeitung erfolgen. Eine Nachbearbeitung ist optional und kann bspw. ein Stapeln von Erzeugnissen, wie bspw. Becher 700, ein Beschriften von Bechern 700, ein Befüllen von Bechern 700 und/oder ein Verschließen von Bechern 700 umfassen. In noch weiteren Ausführungen kann auch ein Beschichten der Innen- und/oder Außenseite von Erzeugnissen bzw. Bechern 700 erfolgen. In noch weiteren Ausführungen kann ein Verpacken befüllter Becher 700 oder unbefüllter, gestapelter Erzeugnisse durchgeführt werden.
-
Anschließend ist ein fertiges Erzeugnis, wie beispielsweise ein Becher 700, in zumindest einem Verfahrensschritt 880 bereitgestellt. Hierbei bietet das vorgestellte Verfahren gegenüber bekannten Verfahren den Vorteil, dass keine Fasermatte oder vliesartige Schicht aus losen Fasern bereitgestellt werden muss, welche in einem zusätzlichen Herstellungsschritt erzeugt wird, benötigt wird. Die Fasermatte der bekannten Ausführungen kann in einem nachgelagerten Formprozess nur teilweise verwendet werden, wobei aus dieser Matte heraus bei einem Formen ähnlich einem Thermoformprozess bei Kunststoffen nur bereichsweise Erzeugnisse gefertigt werden. Der Rest der Fasermatte verbleibt als Abfall. Zudem bestehen bei der bekannten Ausführung mit Fasermatten starke Einschränkungen im Hinblick auf die Geometrie und Formtiefe von herzustellenden Erzeugnissen, so dass stets eine Materialzugabe vorgesehen wird, um ein Strecken der Fasermatte zur Ausbildung von dreidimensionalen Erzeugnissen überhaupt durchführen und die Erzeugnisse herstellen zu können.
-
9 zeigt einen weiteren Ablauf 800, der die wesentlichen Verfahrensschritte zusammenfasst. Vor einer Formgebung in einem Schritt 861 erfolgt die Faservorbehandlung 821, welche bspw. ein Vereinzeln, ein Reinigen und/oder chemisches Behandeln der Fasern oder des Faserausgangsmaterials umfassen kann. Die bereitgestellten Fasern werden dann analog dem vorstehend beschriebenen Ablauf 800 in einem weiteren Verfahrensschritt 840 bevorratet (z.B. in einem Speicher 500) bzw. bereitgestellt und in einem noch weiteren Verfahrensschritt 850 mengenmäßig für das herzustellende Erzeugnis bereitgestellt, bspw. durch Wiegen. Nach dem Formen des Erzeugnisses kann wiederum eine Nachbehandlung 870 erfolgen.
-
In weiteren Ausführungen kann über die Formeinrichtung 200 ein Vorformen eines Erzeugnisses erfolgen, welches dann in einem weiteren Werkzeug final umgeformt wird. Bspw. kann in einem weiteren Werkzeug die Ausbildung eines umgebogenen Rands etc. erfolgen.
-
In noch weiteren Ausführungen kann in einem der Formeinrichtung 200 nachgelagerten Werkzeug eine finale Formgebung des Erzeugnisses und/oder ein Nachpressen erfolgen, wobei das nachgelagerte Werkzeug für ein Nachpressen im Wesentlichen eine gleich ausgebildete Kavität 444 aufweist.
-
Ferner kann auch mindestens ein Hinterschnitt oder dergleichen in einem dem Formprozess in der Formeinrichtung 200 nachgelagerten Werkzeug erfolgen. Darüber hinaus kann in einem nachgelagerten Werkzeug auch ein Trimmen des Rands erfolgen, bspw. durch ein Stanzwerkzeug.
-
Es ist darüber hinaus auch möglich, die vorstehenden Ausführungen zu kombinieren und bspw. mehrere nachgelagerte Form- und Verarbeitungsschritte nach dem Vorformen im Formwerkzeug 400 durchzuführen. Die vorstehenden Ausführungen können hierbei eine Nachbehandlung 870 im Rahmen der Abläufe 800 von 8, 9 sein.
-
Die Herstellung des Bechers 700 ist gegenüber bekannten Herstellungsverfahren und - einrichtungen aus dem Stand der Technik deutlich vereinfacht, da kein Verstrecken auftritt, weil keine Fasermatte als Ausgangsmaterial benötigt wird und die Fasern direkt in die Kavität 444 des Formwerkzeugs 400 eingebracht werden. Somit lassen sich bspw. in weiteren Ausführungen die Fasern bereits im Wesentlichen in die gewünschte Form des herzustellenden Erzeugnisses bringen (siehe hierzu Faserschicht 900). Diese Faserschicht 900 weist dann bereits im Wesentlichen die dreidimensionale Gestalt des herzustellenden Bechers 700 auf, wodurch auf eine Materialzugabe verzichtet werden kann. Daher kann die Stärke/Dicke eines dreidimensionalen Erzeugnisses geringer ausfallen. Geringe Dicken erlauben es ein schnelleres Verpressen durchzuführen als bei Erzeugnissen mit größeren Wandstärken. Ein entscheidender Vorteil liegt darin, dass gegenüber dem Stand der Technik keine vliesartige Schicht bzw. Fasermatte bereitgestellt wird, welche nachträglich verstreckt und verpresst wird, sondern dass die Fasern direkt in die Kavität 444 eingebracht werden. Wesentlich ist hierbei auch, dass vereinzelte Fasern und kein Faserbrei oder dergleichen eingebracht werden.
-
10 zeigt schematische Darstellungen eines Faserstroms innerhalb einer Kavität 444, wobei die Fasern bspw. am oberen Rand der Kavität 444 eingebracht und im Bodenbereich der Kavität 444 mittig angesaugt werden (linke Darstellung), die Fasern mittig im Bodenbereich der Kavität 444 eingebracht und im oberen Randbereich der Kavität 444 angesaugt werden (mittlere Darstellung), oder die Fasern im Randbereich der Kavität 444 eingebracht werden, sich schraubenförmig entlang der Seitenwand der Kavität 444 bewegen und im Bodenbereich der Kavität 444 wieder angesaugt werden (rechte Darstellung). Durch das bewegliche Formteil 430 kann die Bewegung der Fasern entlang der Seitenwand der Kavität 444 unterstützt werden, wenn dadurch in der unteren Endstellung der freie Raum für die Fasern begrenzt wird.
-
11 zeigt eine schematische Darstellung eines dreidimensionalen Erzeugnisses aus einem faserhaltigen Material, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Becher 700 ist. Der Becher 700 kann gemäß einem in den 8. 9 gezeigten Ablauf 800 hergestellt werden. Hierzu kann ein Formwerkzeug 400 zum Einsatz kommen, das in den 2 bis 7 gezeigt ist. Der Becher 700 weist einen Boden 710, eine sich vom Boden 710 erstreckende umlaufende Seitenwand 720 und am dem Boden 710 gegenüberliegenden Ende der Wand 720 einen parallel zum Boden 710 ausgerichteten, umlaufenden Rand 730 auf.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Mühle
- 200
- Formeinrichtung
- 300
- Zuführeinrichtung
- 400
- Formwerkzeug
- 410
- Werkzeugteil
- 412
- Werkzeugkörper
- 413
- Schulter
- 414
- Hülse
- 415
- Öffnung
- 416
- Kammer
- 418
- Kanal
- 420
- Zuführöffnung
- 422
- Raum
- 424
- Kanal
- 426
- Kanal
- 430
- Formteil
- 432
- Kanal
- 434
- Oberfläche
- 436
- Zuführöffnung
- 440
- Werkzeugteil
- 442
- Werkzeugkörper
- 444
- Kavität
- 446
- Oberfläche
- 448
- Auswerfer
- 500
- Speicher
- 600
- Waage
- 700
- Becher
- 710
- Boden
- 720
- Seitenwand
- 730
- Rand
- 800
- Ablauf
- 810-880
- Verfahrensschritt
- 900
- Faserschicht
- 910
- Faserschicht
- 1000
- Formanlage
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
